Constat :

En cinquième, la partie sur le fonctionnement du corps humain repose en grande partie sur la notion d’échange de substances (gaz dissous, molécules solubles) entre le sang et les organes du corps, ou entre le sang et le milieu extérieur. Les élèves débutant les sciences-physiques, il n’ont pas de connaissances structurées sur ces notions. Cela rend difficile l’appropriation par les élèves, surtout les plus en difficulté, de cette notion d’échange, d’autant plus que les unités utilisées sont difficiles à appréhender (mg/L, % voire PPM). On retrouve cette difficulté pour les élèves en quatrième, durant le chapitre de la reproduction (échanges placentaires) mais aussi sur la communication hormonale.

Objectifs :

– rendre concret la composition du sang, les substances dissoutes, notamment pour les élèves en difficulté, de manière à accéder à la notion d’échange
– faciliter le passage à la schématisation, et donc à l’abstraction des échanges entre les différents organes et le sang, entre l’air et le sang ou entre sang maternel et sang foetal.

Matériel nécessaire :

– perles
– schémas d’organes

– tablettes ou smartphones avec une application de Stop Motion (dans le tutoriel ci-dessous, il s’agit de l’application iMotionHD)

Principe :

L’idée est d’utiliser la modélisation, et donc des maquettes, pour amener progressivement les élèves à la schématisation. Pour cela, nous avons utilisé des schémas simplifiés d’organes, plastifiés, et des perles qui symbolisent une certaine quantité de substance étudiée. Les manipulations des élèves avec les perles ont été filmées par eux-mêmes, avec leurs tablettes, selon la technique du Stop-motion, ce qui présente un double intérêt : cela donne un objectif à la manipulation de la maquette, et ils gardent une trace de leur travail sur laquelle ont peut revenir s’appuyer.

Déroulement de l’activité :

Après avoir fait connaissance avec le sujet d’étude (rôle des alvéoles pulmonaires, échanges muscle/sang....) par le biais d’une vidéo, on propose aux élèves d’analyser un tableau d’analyse sanguine (dont les valeurs ont été volontairement simplifiées) et de représenter grâce aux perles les échanges entre le sang/organe, sang/air ou sang/sang selon l’activité. Un petit extrait d’un film en stop motion et une brève description de la technique à utiliser permettent aux élèves de comprendre le type de production attendue la première fois que cette technique est utilisée.
Une fois le film réalisé, les élèves passent à la schématisation.
Le travail est organisé par groupe de 3 élèves. La durée pour la réalisation du film est d’environ 20/25 min en autonomie. La phase de schématisation est plus ou moins rapide selon les groupes.

Exemples de séances :

- Sur le thème des échanges muscle/sang
Les films réalisés par les élèves étaient évalués en commun selon trois critères : la composition du sang avant/après l’échange (nombre correct de perles dans le sang arrivant/ repartant), le devenir des substances échangées (dioxygène et nutriments restent dans le muscle / le dioxyde de carbone s’en va avec le sang qui repart), l’aspect "réalisation du film" (cadrage OK, assez de photos prises pour avoir un film fluide etc...).
Un des films a été repris par la suite lors de l’activité sur la réaction chimique (nutriments + glucose) qui donne de l’énergie et produit des déchets au sein des organes, afin de le compléter.

Exemple de film d’élèves

- Sur le thème des échanges alvéolaires :
Un des objectifs notionnels visés ici était de faire comprendre aux élèves que l’air est un mélange de différents gaz, et que nous ne prélevons "qu’une partie du dioxygène disponible dans l’air" (Bo Août 2008). Par commodité, je n’ai pas fait représenter aux élèves le diazote présent dans l’air, car il aurait fallu gérer beaucoup de perles : c’était une erreur à posteriori : si l’activité a bien fait évoluer dans la tête des élèves le fait "qu’on ne souffle pas que du CO2", l’aspect de l’air comme mélange de différents gaz n’a que peu changé.
Par contre, le passage au calcul (dans l’activité sur les échanges alvéolaires), s’est fait beaucoup plus facilement pour les élèves en difficulté. Bien réussi durant l’activité, ce fut le cas également lors de l’évaluation sommative sur un exercice similaire, signe que l’aspect de "transfert de substance" d’un compartiment à un autre a fait son chemin dans la compréhension du phénomène des échanges gazeux respiratoires.

Exemple de film d’élèves

- Sur le thème des échanges placentaires en 4ème :
Un des objectifs notionnels visés ici était que le sang de la mère ne se mélange pas avec le sang foetal : le placenta joue le rôle de filtre pour ne laisser passer que les substances dissoutes. Le problème est, pour les élèves, que le sang n’a jamais été étudié jusqu’ici : ils savent depuis la cinquième qu’il contient des substances dissoutes, mais l’aspect "cellulaire" du sang n’est pas évoqué dans les programmes. C’est pourtant un noeud important, notamment en troisième lorsqu’on travaille en immunologie (rôle des leucocytes = cellules = vivant, par rapport aux anticorps = molécules dissoutes dans le plasma sanguin = non vivant). Ici, le but premier est de faire comprendre aux élèves que le placenta agit comme un filtre par rapport à la taille des objets qui peuvent traverser cette barrière. Un globule rouge, plus gros, a donc été ajouté avec les perles. L’échange du globule rouge était un des critères évalué

Exemple de film d’élèves

Analyse :

– L’utilisation des perles est un vrai plus pour les élèves en difficulté dont la capacité d’abstraction face à un tableau de valeurs est mise en défaut. La conversion de la "quantité de substance" en nombre de perles est réussie par tous les groupes. L’aspect "transfert de substance" est intégrée par une majorité des élèves : la "perle de dioxygène" qui était dans l’air se retrouve dans le sang, elle n’est donc plus dans l’air expiré. C’est l’intérêt majeur du passage par la maquette et du film : l’aspect "dynamique" des échanges.
– La quantité de perles donnée n’était pas exactement celle nécessaire pour les activités : ce paramètre est ajustable en fonction du niveau des groupes.
– Le passage à la schématisation est intéressant : les élèves veulent tout d’abord "faire comme dans le film" et représentent les substances échangées par des points de différentes couleurs, en reprenant le code de la maquette. Rapidement, ils se rendent compte que cette stratégie ne fonctionne pas pour les échanges, car une fois le schéma terminé, il n’y a plus l’ordre de la réalisation et les points sont statiques : les échanges ne sont pas représentés.

Sur la première activité (échanges muscle/sang), la mise en commun a abouti au choix des flèches pour symboliser les échanges.

Lors de la deuxième activité, ils ont majoritairement fait des flèches pour représenter les échanges, avec des variantes.

Utilisations prof de la technique du stopmotion :

La technique du stopmotion permet de réaliser des films intéressants sur des phénomènes se déroulant sur des temps longs. Par exemple ci-dessous une vidéo modélisant l’action de l’eau de pluie sur le calcaire.

On peut imaginer utiliser (ou faire utiliser cette technique par les élèves) pour montrer la croissance des végétaux, le cycle de vie d’un être vivant, l’évolution d’un élevage, la sédimentation.....

Poursuites envisagées :

Utilisation de cette technique en troisième au moment de l’étude de la division cellulaire et de la fabrication des gamètes : manipulation filmée des chromosomes sur laquelle les élèves devront rajouter un commentaire audio expliquant ce qui se passe au niveau de l’ADN (en lien avec une étude de documents).

Remerciements :

Catherine Hupin, pour son autorisation d’utiliser sa vidéo sur les échanges sang/organes avec mes élèves de cinquièmes et son activité du cerceau qui a inspiré l’utilisation des perles (https://sites.google.com/site/svtduprofdegrenouilles/5eme/partie-b/chapitre-i)